網頁: http://ykuo.ncue.edu.tw/~wthwth 半導體雷射模擬軟體 Lastip 簡介 王尊信Tsun-Hsin Wang 國立彰化師範大學物理系博士生 電子郵件:wthwth@mail.cgjh.tcc.edu.tw wthwth@ykuo.ncue.edu.tw 網頁: http://ykuo.ncue.edu.tw/~wthwth

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 大 綱 背景 主結構 參數 輸出 偵錯 結語 參考文獻 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-原廠 縮寫: LASer Technology Integrated Program (雷射技術整合程式) 廠商: 加拿大的Crosslight Software 公司 工作原理:建立模型=>輸入參數=>輸出結果 小技巧:任何一個指令按右鍵，選wizard可出現即時說明 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-PICS3D 縮寫: Photonic Integrated Circuit Simulator in 3D 三維(3D)面射型半導體雷射元件與分佈回饋型半導體雷射元件模擬軟體 能提供：雷射模式頻譜圖、主模式對次要模式壓制頻譜圖、分佈布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector，DBR)的反射率頻譜圖、波導光柵耦合係數…等多種電子與光學特性圖形 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-APSYS APSYS是一套通用的化合物半導體元件以及矽半導體元件模擬軟體，主要應用於半導體雷射以外的所有半導體元件 對象:有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、發光二極體、光偵測器、太陽能電池、電吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)、異質接面雙極電晶體(HBT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、共振穿隧二極體(Resonant Tunneling Diode，RTD)、以及行波半導體光學放大器(Traveling Wave Semiconductor Optical Amplifier，TWSOA) …等。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-副程式(Options) 1) 『Thermal Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理熱效應對光電及半導體元件特性的影響，此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。　 2)  『Self-consistent MQW/Piezo Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理壓電效應(Piezoelectric Effect)等電場相關因素對光電及半導體元件特性的影響，此一程式對氮 化物藍光半導體雷射、電-吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)的模擬與分析尤其重要。　 3)  『VCSEL Option』(適用於PICS3D)可以支援面射型半導體雷射元件的模擬與分析，是PICS3D模擬軟體必備的附屬程式。　 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-副程式(Options) 4)  『3D Flow Option』(適用於PICS3D)允許電流在立體空間的各個方向都可以流動(基本型的PICS3D不允許電流在Z軸方向流動)，因此可以進一步提昇PICS3D模擬分析的準確性。　 5)  『Complex MQW Option』(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理光電及半導體元件中，量子井(Quantum Well)之間的交互作用，以及井中有井與不對稱井障(Barrier)等特殊情形，此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。　 6)  『LED Option』(適用於APSYS)可以支援發光二極體元件的模擬與分析，是APSYS模擬軟體必備的附屬程式。 7) 『OLED Option』(有機發光二極體模擬程式 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 背景-可以模擬的半導體元件[1] 雷射二極體（FP、 DFB、 Gain-Coupled DFB、DBR、 MEDFB） 半導體光放大器（SOA） 發光二極體（LED） 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 內建參數-.mac檔 內建參數: .mac 檔 (macro，巨集) crosslight.mac 與 more.mac 活性層材料：以大寫字母表示，控制該活性層材料的發光強度、波長、增益等特性。(AlGaAs/AlGaAs、InGaN/InGaN等) 非活性層材料：以小寫字母表示，決定電性、熱特性與部份的光學特性。(gaas.temp、algaas.temp等) 依模擬的需求選擇適當的材料檔案，例如同樣表示GaAs材料的mac檔案就有：gaas、gaas_lambda、gaas.temp三種，第一種是描寫溫度固定在300K的參數；第二種是與波長有關的參數；第三種是與溫度有關的參數。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 主結構-四個步驟[2] 步驟 1: 建立layer檔 介面: 程式碼或圖形化 (GUI) Action-> Setup Device -> LayerBuilder c:\crosslig\GUI\LayerBuilder.exe 程式集-> Lastip-> LayerBuilder.exe 步驟 2: 處理layer檔 Action-> Setup Device-> Process layer 步驟 3: 產生mesh檔 Action->Setup Device-> Generate mesh 步驟 4: 開始模擬 Action-> Main Simulation-> Start Simulation 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 步驟1-建立layer原始四個檔案 .layer 檔:敘述材料的分層結構 .gain 檔:材料的增益 .sol檔: (solution材料的解題方法)考慮的效應、計算的方法、邊界條件、壓電效應、光場、熱效應… .plt檔: (plot)要畫的圖形 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.layer~1 .layer 檔:設定好元件的每一層厚度、材料、電極、寬度及與幾何結構相關結果的精密度(如能帶結構圖) 如果基底是不導電的物質，因為電極要接在旁邊，所以要設成兩欄(column)以上(若LED基底是GaAs則只需一欄) Col 1 2 3 A void void B B B S S Substrate 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.layer~2 layer d=0.0035 d的單位是微米(µm) n=8 n表示mesh的刻度 r=-1.3 r(ratio)的意義：每個mesh切割的比例 類似等比級數的公比 r>1: 愈畫愈疏; r<1: 愈畫愈密 -1<r<0:(由下而上)密到疏，再到密; r<-1:(由下而上)疏到密，再到疏 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.gain 預先觀看活性層材料的自發放射及增益頻譜等，檢查活性層條件是否符合設計的波長 先預估發光波長，若偏很多表示Eg或bowing差太多 (較少用，不看也沒關係) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.sol 三大效應:電、光、熱(可以設與.mac檔不一樣的值) 考慮的效應、計算的方法、邊界條件、壓電效應、光場、熱效應… 設定求解的相關條件，如電流或電壓最大加至多少、元件損失、求解方法的選擇，求解條件的設定等。(與收斂性有關) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-整合光電熱 Eg(x,T), n(x,T,), B(x), C(x), m*(x), SRH(T), …… 光 電 m(doping, T,….), junction(),…… 熱 (T, doping) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 光 wave_boundary point_ll=[ 0 3] && 光場限制在活性區 init_wave length= 550 元件的厚度 backg_loss=3500 && 內部損失 boundary_type=[1 1 1 1] [x1 x2 y1 y2]:[左 右 下 上] 1表示不對稱 2表示對稱 init_wavel= .40 給定波長初值 mirror_ref=0.50 && 前後共振腔反射率 wavel_range=[0.38 0.430] photon_fac =1e6 波長變化範圍:用來檢查*.log檔中的Lambda(um)= 0.42 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 電 N化物先設定邊界極化電荷 fix_charge 再設定電子與電洞的生命週期(lifetime_n與lifetime_p) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 熱 設定初始溫度temperature 設定熱流模式heat flow 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 I-V圖 scan var=voltage_1 先由電壓逼近導通電壓 因為此時電流變化小，如果電壓變的太快會收斂困難 value_to=-3.1 大約是Eg的90% 如果遇到收斂困難，可由.log檔讀到對應電流0.1 或0.2的scan voltage改善 print_step=3.1 && 前面不儲存(因為數值太小，沒意義) init_step=1e-2 初階0.01開始試 min_step=1e-9 不能收斂的再縮小，最小到0.000000001 max_step=1 若能收斂的再放大，最大到1 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 I-V圖~2 scan var=current_1 再由電流看電壓 因為此時電壓變化小，如果電流變化太快會收斂困難 value_to=300 print_step=10 && 每10格儲存一次 init_step=0.01 min_step=1e-4 這部分和掃描電壓原理相同 max_step=10 不能超過print_step 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數表 Parameter d (m) Ndop(1/m3) y (m) n@400 nm  (W/m/K) GaN (contact) 0.03 p-21025 4.29 2.54 130 Al0.07Ga0.93N (cladding) 0.5 p-31024 4.26 2.48 20 GaN (waveguide) 0.1 p-71023 3.76 Al0.2Ga0.8N (stopper) 0.02 3.66 2.23 80 In0.02Ga0.98N (barrier) 0.01 i 3.64 2.61 In0.15Ga0.85N (well) 0.005 3.63 3 3.625 3.615 3.61 n-71023 3.6 n-31024 3.5 GaN (substrate) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-對應方程式[3] 方程式 =>參數 泊松(Poisson)方程式=>V, n, p 連續方程式 => V, n, p, S, W, g 光子速率方程式 => n, p, S, W, g 複數波動方程式 => n, p, W, lambda, g 光增益模型 => n, p, lambda, g V表電位、 n與p表電子與電洞濃度、 S表光子數目、W表光場強度、 lambda表波長、 g表增益 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-泊松方程式[4] ∇2V = −ρ /ε ，ρ 為自由電荷的體電荷密度，ε 為介質的介電常數。若將此方程式改用在半導體材料時，此方程式就必須改寫成下式來描述每個磊晶層的電位分佈： 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-泊松方程式 （a）∇V 為電場。 （b）εdc 為相對介電常數。 （c）n、p 為電子與電洞濃度。 （d）ND(NA)為淺層donor(acceptor)摻雜的密度，fD(fA)為介面中donor(acceptor)淺層能階的佔有率。（此項會造成介面結合的電子濃度產生影響，NAfA 前面的負號為接收電子濃度產生） （e）δj 為delta function 當作acceptor 時其值為0 當作donor 時其值為1，Ntj 為介面中第j 個深層能階的密度，ftj 為第j 個深層能階的佔有率。(此項和前兩項比較下其意義為相似) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-電荷連續方程式 ∇J + ∂ρ/ ∂ t = 0 ；此為電荷連續方程式，又因為各磊晶層的電荷守恆，所以我們可以將此連續方程改寫成下式： 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-電荷連續方程式 （a）電子的電流密度Jn = n×μn×∇Efn（其中μn 為電子的mobility，Efn 為電子的Fermi-level），而電洞的電流密度Jp = n×μp×∇Efp 。 （b）Rntj 為通過邊界上第j 個能階時，每單位體積的電子結合律，而Rptj 為通過邊界上第j 個能階時，每單位體積的電洞結合律。(SRH) （c）Rsp 為自發輻射率，Rst 為受激放射率。 （d）Rau=(Cnn+Cpp)(np-ni2)；Cn 和Cp 均為常數取決於材料本身，ni 指純質的載子密度。(Auger recombination rate) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-光子速率方程式 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-光子速率方程式 （a） W 為光子的波函數|W|2 為每單位體積找到光子的機率。 （b） k0 為波向量，ε為介電常數，β為real eigenvalue 實數本徵值。 （c） ng 為材料的折射率，gm 為增益模式(model gain)，αint 為初始的損失(loss)，αem 為發射光子產生的損失，S 為光子數。 （d） Cm 為小部份自發輻射的常數。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參數-光增益模型 （a）τ為intra-band 的散射時間 （b）L(Ex-Eij0)為Lorentzian shape function （c）gij 為第i 能階到第j 能階的local gain，Eij 為第i 能階到第j 能階的能差 （d）gij 內有包含輕電洞和重電洞的TE 和TM 模式。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 輸出[1] L-I: 輸出能量與電流之關係 I-V: 電流與電壓之關係 E-V: 不同電壓下之能帶結構 二維的電位、電場與電流分佈 二維的電子與電洞濃度分佈 價電帶混合模式下之量子井次能帶結構 二維的深層能階所捕獲載子之分佈 二維的光場分佈 二維的區域性光增益分佈 不同電流輸入下之增益頻譜 不同電流輸入下之自發輻射頻譜 遠場分佈 上述所有資料隨時間之變化 上述所有資料在不同溫度下之變化 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.plt 要畫的圖形，以圖形或資料點 輸出求解之結果，設定所要觀看的結果之幾何條件，偏壓條件、電流條件與範圍等 要用plot_1d或plot_2d看研究題目而定 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 *.plt～2 plot_data plot_device=data_file 將結果輸出到檔案(txt檔，數字形式) 若改成plot_device=postscript則輸出圖檔 get_data main_input=s2.sol sol_inf=s2.out && xy_data=(22 22) scan_data=(1 32) 看第22個output的結果 plot_scan scan_var=voltage_1 scale_curr=1 variable=total_curr_1 && data_file=I-V.txt 把結果放在I-V.txt檔中 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 步驟2-處理layer產生四個檔案 .doping 檔: 摻雜狀況 .geo 檔:描述元件的幾何結構 .mater 檔:描述元件所有用到的材料與電極，並照順序給予編號(若layer中，有不同層但材料相同者，也算同一種材料) .mplt檔:將元件分成許多細小的網格，畫出mesh 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 步驟3-產生mesh檔[4] 注意：每次跑一定要先process layer與generate mesh ，不可直接start simulation 此時習慣把output window拉大 一邊檢查：能帶光場是否在活性區(active layer)而非基底(substrate) 一邊檢查：隨著電流的增加，發光波長也會一直增加(形成lasing狀態的頻譜) 也可以用Action->Setup device->View mesh檢查看看最密的應該在active layer 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 步驟4-開始模擬 *.log: 所有輸出的訊息 *.sol.msg描述所有的輸出檔案 *.out_001 ~*.out_032(數字看輸出檔案而定) 或*.std_001 ~*.std_032 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 偵錯[2] 若在.sol檔中的波長範圍設定為wavel_range=[0.38 0.430] 但波長維持在0.43um Lambda(um)= 0.43000000000 波長沒變化，表示有問題了! 超過某電流才會lasing，所以之前的波長不太有變化 檢查lasing gain>1 (若gain是負幾百，表示已經接近臨界電流了) 量子井愈多，跑愈慢 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 收斂困難? 檢查init_current 檢查init_voltage 檢查mesh是否太疏 量子井活性區設定有無錯誤 檢查Nitride band offset ratio=7/3 檢查光場是否在active layer:wave_intensity 有些材料要和實驗公認值比較 Nitride: SRH缺陷明顯，極化現象，Auger再結合 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 結語 先使用example的例子練習並熟悉軟體 由例子的說明熟悉不同效應所需加入之指令 模擬實驗結構時，可直接由example之檔案修改即可 Macro file所使用之參數盡量使用實驗值 另外有example會把well與barrier放在外面，當成副程式，再用include呼叫 此種寫法不必每次修改，也符合結構化的理論，可以使主程式更簡潔(但寫法其實相同) 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 參考文獻 [1] LASTIP User’s Manual Version, 2005, 2nd Edition, Crosslight Software Inc. [2]顏勝宏，｢三五族氮化物能帶結構與藍紫光氮化銦鎵雷射特性之研究｣，國立彰化師大，碩士論文，民國93年。 [3]張誌原，｢氮化銦鎵量子井雷射之電子溢流現象與電洞不均勻性探討｣，國立彰化師大，碩士論文，民國91 年。 [4]蔡孟倫 ，｢DVD用650 nm 磷化鋁鎵銦雷射二極體的設計與分析 ｣，國立彰化師大，碩士論文，民國93年。 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 國內其它研究群組 國立彰化師大 電子系林得裕教授團隊 光電所黃滿芳教授團隊 國立交通大學光電工程學系盧廷昌教授團隊 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信

半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信 感謝您的耐心聽講!! 2018/11/18 半導體雷射模擬軟體Lastip簡介 / 王尊信